Producing high strength Mg bio-degradable stent by using ultra fine grain sized ZM21Alloy and pure Mg

Magnesium and its alloys are considered as the ideal candidate material for biodegradable stent application because of their biocompatibility and low corrosion resistance in human body. However, the mechanical properties and corrosion resistance are still needed to be improved. Strategies to improve these aspects include changing the alloy composition, tailoring the microstructure to improve the mechanical properties and intrinsic corrosion resistance, adopting surface coatings to temporarily insulating the bulk metallic structure were proposed by all researchers working in this field in order to deal with the balance between biocompatibility, corrosion resistance and mechanical properties. The objective of this study is to develop a non-toxic material system from preliminary composition selection and subsequent microstructure tailoring by Equal Channel Angular Pressing(ECAP) to further enhance the mechanical properties and corrosion resistance, additional surface coating to elongate the device service time is possible to adopt when it is necessary. The adopted experimental procedures included the phases of material selection according to biocompatibility of alloying elements, hot deformation investigations to optimize the deformation conditions for the manufacturing of stent precursors, microstructure tailoring by using ECAP processing to obtain Ultra Fine Grain(UFG) material with improved mechanical properties and corrosion resistance, forming the stent precursors into small size tubes by hot extrusion and stent net cutting by laser. The alloy ZM21 with highest ductility and lowest content of toxic elements was selected for the subsequent experimental procedures. An investigation was carried out on properties and processing of ZM21 ultra-fine grained Mg alloy as a possible candidate material for the manufacturing of improved biodegradable Mg stents. ECAP process was applied to achieve a significant grain refining in the sub-micrometer grain-size range. Processing was performed according to a two-step strategy aimed at achieving a first refining of the structure at 200°C and then reaching the UFG grain size range by still lowering the processing temperature down to 150°C. A homogeneous equiaxed grain structure featuring sub-micrometer grain size in the range of 500 nm was successfully achieved. The mechanical characterization revealed a significant improvement of properties of the ECAP treated billets over the starting coarse grained ZM21 alloy. The 0.2% yield strength rose from 180 MPa to 340 MPa after 150°C ECAP processing, still keeping a fairly high tensile ductility. The UFG ZM21 alloy billets were then used for the extrusion of stent precursors at 150°C having the form of small tubes (D=4 mm, d= 2.5 mm). The grain size after extrusion was kept in the sub-micrometer range owing to low-temperature processing and the contribution of dynamic recrystallization. Consistently, hardness improved from 50 HVn of the coarse grained alloy to 74.8 HVn of the UFG extruded tubes. The stent net was then obtained by using fiber laser cutting starting from the above UFG precursors. No significant modification of the microstructure was detected close to the laser cut surfaces, thus demonstrating that processing of biodegradable Mg stent having an ultrafine-grained microstructure is feasible and that obtained products feature promising properties.

Il Magnesio e le sue leghe vengono considerati materiali ideali per la produzione di stent biodegradabili grazie alla loro biocompatibilità e bassa resistenza alla corrosione nel corpo umano. Tuttavia, le proprietà meccaniche e di resistenza alla corrosione devono essere migliorate. Le strategie per migliorare questi aspetti consistono nella modifica della composizione della lega, nella modifica della microstruttura per migliorare le proprietà meccaniche e la resistenza alla corrosione intrinseca del materiale e nell’adottare rivestimenti superficiali per isolare temporaneamente la struttura metallica massiva. Esse sono state proposte dai ricercatori che lavorano in questo campo al fine di trovare un compromesso tra biocompatibilità, resistenza alla corrosione e proprietà meccaniche. L'obiettivo di questo studio è quello di sviluppare un sistema composto da materiali non tossici partendo dalla selezione preliminare della composizione e la successiva modifica della microstruttura mediante Equal Channel Angular Pressing (ECAP) per migliorare ulteriormente le proprietà meccaniche e di resistenza alla corrosione del materiale. Un rivestimento superficiale può essere adottato per il prolungamento della vita di servizio qualora richiesto. Le procedure sperimentali adottate comprendono le fasi di selezione del materiale in base alla biocompatibilità degli elementi, i test di deformazione a caldo per ottimizzare i parametri di processo per la produzione di precursori di stent, l’ottenimento di materiali con migliorate proprietà meccaniche e di resistenza alla corrosione mediante l’affinamento della struttura cristallina con tecnica ECAP, la produzione di precursori in forma di tubi di piccole dimensioni mediante estrusione a caldo e infine il taglio di stent con tecnologia laser. La lega ZM21 caratterizzata dalla più elevata duttilità e dalla minore tossicità è stato selezionata per le successive procedure sperimentali. Un'indagine è stata condotta sulle proprietà e sul processo di lavorazione della lega di Mg ZM21 a grano ultrafine come materiale candidato per la produzione di stent di Mg biodegradabili con proprietà migliorate. Il processo ECAP è stato applicato per ottenere un significativo affinamento del grano fino al range sub-micrometrico. La lavorazione è stata effettuata secondo una strategia in due fasi volta ad ottenere un primo affinamento della struttura a 200°C e per poi raggiungere una struttura ancora più fine abbassando la temperatura di lavorazione fino a 150°C. Una struttura omogenea a grano equiassica di dimensione sub-micrometrica (circa 500 nm) è stata ottenuta con successo. La caratterizzazione meccanica ha rivelato un significativo miglioramento delle proprietà delle billette processate mediante ECAP rispetto al materiale di partenza con struttura grossolana. La sollecitazione di snervamento (Rp02) è aumentata da 180 MPa a 340 MPa e la duttilità si è mantenuta piuttosto elevata. Le billette sono quindi state utilizzate per l'estrusione a 150 °C di precursori di stent a forma di piccoli tubi (D = 4 mm, d = 2,5 mm). La granulometria dopo estrusione è rimasta nel range sub-micrometrico grazie alle basse temperatura di lavorazione e al contributo di ricristallizzazione dinamica. Coerentemente, la durezza è variata da 50 HVn della lega a granolumetria grossolana a 74,8 HVn dei tubi estrusi a grano ultrafine. Le maglie dello stent sono state infine ottenute mediante taglio laser a fibra dei precursori a grano ultrafine descritti in precedenza. Nessuna modifica significativa della microstruttura è stata rilevata nell’intorno della superficie di taglio, dimostrando in tal modo la fattibilità del processo di produzione di stent in Mg biodegradabile con grana ultrafine e le proprietà promettenti dei prodotti ottenuti.